研究人员关注中性粒子对核聚变反应堆中破坏性等离子体团的拖累

几十年来，科学家们一直在努力利用清洁、可再生的核聚变能源，这种能源在像我们太阳这样的恒星中自然发生。利用强磁场将热等离子体限制在一个被称为托卡马克的甜甜圈形状的装置中，研究人员可以产生诱发核聚变反应的必要条件。然而，大量的热量和粒子最终需要从托卡马克的边缘排出（如图），而排出区域的条件会影响等离子体限制的有效性。

由于存在被称为"blobs"的湍流结构，预测该区域的等离子体运动很困难。这些是压力较高的局部区域，可以将热量和粒子穿过磁场线转移到材料壁上。

最近使用计算等离子体框架Gkeyll的工作揭示了一个重要的见解--包括无电荷中性粒子对等离子体行为有关键影响。新的模拟将陀螺运动学和动力学模型结合起来，以更好地预测等离子体湍流。

泰斯·伯纳德博士说："理解和控制这个区域的等离子体湍流和传输是非常重要的，因为它影响到壁材料的寿命，"他与来自通用原子公司和普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家合作，领导了这项研究。"这一挑战由于该区域的中性原子与等离子体粒子相互作用而变得更加复杂，而且中性原子对等离子体圆球行为的影响还没有得到很好的理解。"

有无中子存在的结果在重要的等离子体参数--密度、温度和流动水平方面有明显的差异。这一点在图中可以清楚地看到，图中显示了在PPPL的国家球面环形实验（NSTX）的壁附近的等离子体模拟的比较，其中包含和不包含中性粒子。中性粒子的加入导致了等离子体波动的减少和小球运动的减慢。

这一结果需要在现有的模拟等离子体的方法之间进行首次耦合。历史上，一系列基于理论模型的模拟工具被用来理解托卡马克的实验观测，并对当前和未来的等离子体设备进行预测。例如，跟踪粒子位置和速度的动力学模型更准确，但也更需要计算。追踪密度、流量和温度等体积属性的流体模型通常要求较低，但所做的假设并非对所有托卡马克情景有效。

为了做到自洽，代码应包含等离子体和中性动力学模型。然而，由于计算要求过高，每个模型的综合动力学模型很难结合在一起。预见到这一挑战，Gkeyll的开发采用了高效的算法，促进了最近将等离子体动力学的陀螺动力学模型与中性原子的动力学模型的耦合。陀螺动力学模型依靠的是带电粒子围绕磁场线快速运行的事实。这个模型对这种快速运动进行了平均化处理，将粒子建模为带电环，减少了问题的复杂性。

正在进行的工作是用实验数据来验证这个模型，它将是一个有用的工具，可以作为其他代码的标杆。这项工作很重要，既可以为未来的工作提供信息，以尽量减少破坏性的湍流对聚变电站的影响，又可以作为使用强大等离子体代码的一个例子。